Меню

Белова н а вращательное движение земли

Прецессия земной оси

Предварение равноденствий (лат. praecessio aequinoctiorum ) — историческое название для постепенного смещения точек весеннего и осеннего равноденствий (то есть точек пересечения небесного экватора с эклиптикой) навстречу видимому годичному движению Солнца. Другими словами, каждый звёздный год весеннее равноденствие наступает немного раньше, чем в предыдущем году, — примерно на 20 минут 24 секунды [1] . В угловых единицах смещение составляет сейчас примерно 50,3″ в год, или 1 градус каждые 71,6 года [2] . Это смещение является периодическим, и примерно каждые 25 776 лет точки равноденствия возвращаются на прежние места.

Предварение равноденствий не означает, что времена года перемещаются по календарю; применяемый в наши дни григорианский календарь отражает длину не звёздного, а тропического года, который соответствует интервалу от равноденствия до равноденствия. Поэтому эффект предварения равноденствий фактически включён в действующий календарь [3] .

Содержание

Причины

Основная причина предварения равноденствий — прецессия, периодическое изменение направления земной оси под влиянием притяжения Луны, а также (в меньшей степени) Солнца. Как указал Ньютон в своих «Началах», сплюснутость Земли вдоль оси вращения приводит к тому, что гравитационное притяжение тел солнечной системы вызывает прецессию земной оси [4] ; позже выяснилось, что к аналогичным последствиям приводит неоднородность плотности распределения масс внутри Земли. Величина прецессии пропорциональна массе возмущающего тела и обратно пропорциональна кубу расстояния до него; чем быстрее вращается прецессирующее тело, тем меньше скорость его прецессии [5] .

В результате прецессии земная ось описывает в пространстве конус. Поворот земной оси смещает и связанную с Землёй экваториальную систему небесных координат относительно удалённых, практически неподвижных на небесной сфере звёзд. На небесной сфере ось описывает окружность так называемого малого круга небесной сферы с центром в северном полюсе эклиптики для северного полушария и в южном полюсе эклиптики — для южного полушария, с угловым радиусом примерно 23,5 градуса [6] . Полный оборот по этой окружности происходит с периодом (по современным данным), составляющим примерно 25 800 лет . В течение года скорость земной прецессии, вызванной данным небесным телом, меняется — например, для Солнца она максимальна в дни солнцестояния, а в дни равноденствия равна нулю [7] .

Существуют и другие причины смещения земной оси, в первую очередь — нутация, периодическое, быстрое относительно периода прецессии, «покачивание полюсов». Период нутации земной оси равен 18,61 года, и её средняя амплитуда составляет около 17″ (угловых секунд). При этом на угол наклона земной оси к плоскости эклиптики прецессия (в отличие от нутации) не влияет [8] .

Кроме Луны и Солнца, прецессионное смещение вызывают и другие планеты (в основном из-за уменьшения наклона плоскости эклиптики к экватору), но оно невелико, в сумме примерно 12 угловых секунд в столетие и направлено противоположно лунно-солнечной прецессии [6] [5] [7] . Имеются и другие факторы, возмущающие направление земной оси — апериодическое « блуждание полюсов [en] », изменения океанических течений, движение атмосферных масс, сильные землетрясения, изменяющие форму геоида и т. п., однако их вклад в смещение земной оси по сравнению с прецессией и нутацией ничтожен [9] .

Аналогичные явления происходят на других планетах и их спутниках. Например, ось Юпитера под влиянием его многочисленных спутников и Солнца смещается на −3,269 секунды дуги в год [10] (в начале XX века предполагалось, что угловая скорость прецессии юпитерианской оси составляет примерно полградуса за юпитерианский год, или примерно в 50 раз больше настоящего значения [5] ). Ось Марса прецессирует с угловой скоростью −7,6061(35) секунды дуги в год [11] . Существует и лунная прецессия двух типов — орбитальная прецессия с периодом 8,85 года и прецессия узлов с периодом 18,6 года .

Последствия

Поворот оси нашей планеты имеет разнообразные последствия. Направление прецессионного смещения противоположно направлению осевого вращения Земли, поэтому прецессия сокращает продолжительность тропического года, измеряемого от равноденствия до равноденствия. Другими словами, тропический год становится на 20 минут короче звёздного. Поскольку долготы звёзд отсчитываются от точки равноденствия, все они постепенно увеличиваются (на 50,26″ ежегодно) — именно этот эффект и привёл к открытию данного явления [14] .

В ходе прецессии вид звёздного неба, наблюдаемый в тех или иных широтах, меняется, так как меняются склонения тех или иных созвездий, и даже время года их наблюдения. Некоторые созвездия, видимые сейчас в средних широтах северного полушария Земли (например, Орион и Большой Пёс), постепенно опускаются под горизонт и через несколько тысяч лет будут почти недоступны для этих широт, зато на северном небе появятся созвездия Центавр, Южный Крест и ряд других. Конечно, не все созвездия южного полушария будут доступны в результате прецессии — выше всех поднимется современное «летнее» небо, меньше — «осеннее» и «весеннее», зимнее небо, наоборот, опустится, так как в настоящее время оно максимально «поднято» [5] .

Читайте также:  Земли многодетным в рсо алания

Схожие процессы будут и в Южном полушарии. Многие созвездия Северного полушария, которые в настоящее время не показываются в Южном, станут там видны, причём выше всего поднимется современное «зимнее» небо, которое видно из Южного полушария как летнее. Например, спустя 6 тысяч лет будет доступно из средних широт Южного полушария для наблюдения созвездие Большая Медведица, а 6 тысяч лет назад там была видна Кассиопея [5] .

Полюс мира сейчас почти совпадает с Полярной звездой. Во времена строительства Великих пирамид в древнем Египте (около 4700 лет назад) он находился вблизи звезды Тубан (α Дракона). После 2103 года полюс начнёт удаляться от Полярной звезды и в V тысячелетии перейдёт в созвездие Цефея, а через 12 000 лет роль «полярной звезды» станет играть Вега. Античные астрономы видели точку весеннего равноденствия в созвездии Овна, а точку осеннего равноденствия — в созвездии Весов, поэтому обе точки до сих пор принято обозначать символами этих созвездий, хотя они переместились в созвездие Рыб и созвездие Девы соответственно [6] [14] .

Угол наклона земной оси относительно полюса эклиптики меняется в пределах от 22,0° до 24,5° со средним периодом 41 000 лет. Также в пределах около 4° колеблется плоскость эклиптики, в результате плоскость экватора меняет свой наклон в интервале примерно от 18° до 28° относительно эклиптики 1850 года. [15]

Предполагаемое влияние на климат Земли прецессии и других астрономических факторов остаётся дискуссионной темой [16] ; см. об этом статью Циклы Миланковича.

Исторический очерк

На основании некоторых косвенных данных предполагают, что различие между звёздным и тропическим годом (простым логическим следствием чего является движение точек равноденствия на фоне звёзд) впервые установил в III веке до н. э. Аристарх Самосский. Разность между звёздным и тропическим годом, вычисленная на основании этих данных, соответствует скорости прецессии 1° за 100 лет, или 36″ в год [17] (по современным данным, 1° за 71,6 года).

Исходя из наблюдений звёзд, предварение равноденствий было открыто выдающимся древнегреческим астрономом Гиппархом во II веке до н. э. В его распоряжении были результаты наблюдений греческого астронома III века до н. э. Тимохариса, из которых Гиппарх обнаружил, что все долготы звёзд увеличиваются примерно (по его оценке) на 1° каждые 100 лет. Во II веке н. э. существование прецессии подтвердил Клавдий Птолемей, причём скорость прецессии по его данным составляла всё те же 1° в 100 лет [18] .

Большинство астрономов доптолемеева периода полагали, что все звёзды закреплены на одной сфере (сфере неподвижных звёзд), являющейся границей Вселенной. Видимое суточное вращение небосвода при этом считалось отражением вращения этой сферы вокруг своей оси — оси мира. Для объяснения прецессии Птолемей был вынужден ввести за пределами сферы неподвижных звёзд (на рисунке слева обозначена цифрой 1) ещё одну сферу, которая вращается с периодом в одни сутки вокруг оси мира (NS). К ней прикреплена сфера неподвижных звёзд 2, вращающаяся с периодом прецессии вокруг оси AD, перпендикулярной плоскости эклиптики. Таким образом, вращение сферы звёзд есть суперпозиция двух вращений, суточного и прецессионного. Наконец, внутрь этой сферы вложена ещё одна сфера 3, вращающаяся вокруг той же оси AD, но в противоположном направлении, что компенсирует прецессионное движение для всех внутренних сфер (но эта сфера по-прежнему принимает участие в суточном вращении) [19] .

В V веке н.э. существование прецессии подверг сомнению знаменитый философ, математик и астроном Прокл Диадох, но её существование подтвердил его ученик Аммоний, сын Гермия.

Теон Александрийский, комментатор Птолемея (IV век), выдвинул гипотезу, что сфера неподвижных звёзд испытывает периодические колебания в пределах 8°, после чего возвращается в прежнее положение. Это явление было названо трепидацией. В IX веке эту модель поддержал знаменитый арабский астроном Сабит ибн Курра [20] [21] . Уже арабские астрономы более позднего времени показали, что прецессия носит монотонный характер. Тем не менее, они полагали, что скорость прецессии периодически изменяется, так что изменение долгот звёзд можно разложить на две составляющие: равномерное увеличение (собственно прецессия), на которое наложено периодическое колебание (трепидация). Такой точки зрения придерживался, в том числе, Николай Коперник, и лишь Тихо Браге доказал полное отсутствие трепидации [5] . Ат-Туси и Браге к этому времени с хорошей точностью оценили величину прецессии: 51 угловая секунда за год [22] .

Читайте также:  Гост охрана земель почвы

Коперник первым понял, что смещается не небесный экватор, а земная ось, и получил скорость прецессии, близкую к современным представлениям — 1° за 72 года. Причина смещения была подробно объяснена в «Началах» Ньютона, причём Ньютон отдельно выделил вклад в эту величину Луны и Солнца [4] . В математической модели Ньютона Земля была мысленно разделена на шарообразную часть и кольцеобразное экваториальное утолщение; из открытых Ньютоном законов механики следовало, что притяжение Луны создаёт для утолщения дополнительный момент силы, приводящий к повороту земной оси. Этот момент силы наиболее велик тогда, когда Луна максимально удалена от плоскости земного экватора. Аналогичный механизм действует со стороны Солнца [6] [5] . Рассуждения Ньютона были принципиально верны, хотя его математическая модель и содержала неточности, так как плотность Земли не является постоянной, а параметры ньютоновской модели (массы Луны и Солнца, расстояния до них) были в то время известны с большой погрешностью.

В XVIII веке большой вклад в изучение вопроса внесли двое учёных. Джеймс Брэдли открыл нутацию, составил таблицы, позволявшие учитывать при точных астрономических измерениях прецессию, нутацию и аберрацию света. Даламбер в своём труде «Исследование предварения равноденствий» (Recherches sur la precession des equinoxes, 1749) исправил и развил модель Ньютона, дал первую теорию нутации [22] . В XIX веке теорию прецессии в основном завершили Фридрих Вильгельм Бессель и Отто Вильгельм Струве [5] .

Ведущий американский астроном Саймон Ньюком в 1896 году дал формулу прецессии, которая показывала и скорость изменения её величины [2] :

P = 50,256 4 ″ + 0,000 222 ″ ⋅ T <\displaystyle P=50<,>2564»+0<,>000222»\cdot T> Здесь T — число лет, прошедших после 1900 года.

В 1976 году XVI съезд Международного астрономического союза в Гренобле уточнил формулу Ньюкома и принял за новую базу 2000 год [2] :

P = 50,290 966 ″ + 0,000 222 ″ ⋅ T <\displaystyle P=50<,>290966»+0<,>000222»\cdot T> Здесь T — число лет, прошедших после 2000 года.

Источник

Движение Земли вокруг Солнца и вокруг своей оси

Движение Земли вокруг Солнца непрерывно. Благодаря этому постоянному вращению наблюдаем, как меняются на нашей планете времена года. Облетая вокруг небесного светила, Земля еще успевает совершать движение вокруг оси — так сменяются день и ночь. Почему не ощущаем этого движения и как все это происходит? Попробуем отыскать ответы.

Движение Земли вокруг Солнца

Ученые древности сформулировали идею геоцентричности мира. Считалось, что наша планета — недвижимый центр, а все небесные тела совершают вращение вокруг нее.

Первым мысль о том, что Земля вращается вокруг Солнца, высказал великий астроном Аристарх Самосский в III веке до н. э. Он предложил революционную на тот момент гелиоцентрическую систему мира.

Идею поддержали вавилонянин Селевк (II век до н. э.), Гераклид Понтийский, Сенека. Но все же эти ученые оставались в меньшинстве. Так, Аристотель и Птолемей активно доказывали обратное, а в их работах можно прочесть много аргументов в пользу того, что никакого движения Земли не происходит.

Закон Паскаля простыми словами: суть и значимость

Вопросом продолжили заниматься средневековые авторы. Вновь гипотеза о вращении Земли была сформулирована великим индийским астрономом и математиком Ариабхатой (конец V — начало VI вв.).

Поворотным моментом в этой дискуссии стала публикация фундаментального труда «О вращениях небесных сфер», который написал и издал в 1543 году польский и немецкий астроном Николай Коперник. Ему удалось обосновать гипотезу вращения Земли и добиться того, чтобы гелиоцентрическая система мира была рассмотрена и принята человечеством.

Понадобилось еще много экспериментов для подтверждения выводов ученого. Много было скептиков и противников этой идеи.

Только когда Галилей вывел принцип относительности движения, споры начали утихать. Он установил, что равномерное движение Земли не сказывается на процессах, которые на ней протекают. Ученый объяснил, почему мы, жители планеты, ничего не ощущаем во время ее постоянного движения.

Пифагор: биография, открытия, цитаты

Для современного человека то, что Земля вращается вокруг Солнца, не сенсация. Исследователи установили такие подробности этого процесса:

  • Это движение происходит по особенной орбите (траектории движения), длина которой составляет примерно 930 млн км.
  • Скорость движения Земли по орбите равна около 30 км/c, то есть 107 218 км/ч.
  • Вращение нашей планеты происходит в направлении востока.
  • Земля во время этого вращения сохраняет расстояние от светила в 150 млн км.
  • Для одного полного оборота Земле необходимо 365 суток и 6 часов. Промежуток времени, в течение которого происходит это вращение, называем годом.
  • За каждые четыре года набираются еще одни сутки. Поэтому через три года на календаре появляется февраль, в котором 29 дней.
Читайте также:  Платность использования земли является

Коридор затмений 2021: чего ожидать и опасаться

Когда наша планета совершает это вращение, то ее угол наклона остается неизменным. По этой причине на определенном отрезке траектории Земля больше поворачивается к светилу нижней частью, в Южном полушарии наступает летний сезон.

В это же время на Северный полюс солнечные лучи попадают в гораздо меньшей степени — там наступает период зимних холодов. Есть и периоды, когда Солнце более-менее равномерно бросает лучи на оба полушария. Происходит это весной и осенью.

Итак, разобрались, с какой скоростью движется Земля вокруг Солнца, и в том, что такое орбита Земли. Но на этом особенности движения Земли не заканчиваются.

Движение Земли вокруг своей оси

Если между Северным и Южным полюсами нашей планеты провести воображаемую линию, то получится так называемая земная ось. Вокруг нее постоянно происходит вращение, о котором известно:

Парад планет: что это, чего ожидать от явления

  • Земная ось — это не перпендикулярная линия. Она расположена под углом 23,5° по отношению к орбите планеты.
  • Вращение вокруг оси осуществляется, как и по орбите, в восточном направлении. Если рассматривать нашу планету сверху в сторону Северного полюса, то вращение оценивается как такое, которое происходит против стрелки часов.
  • По мере этого вращения день сменяется ночью.
  • Скорость вращения Земли рядом с экватором (разделительная линия, равноудаленная от обоих полюсов, которая проходит по всей окружности планеты) составляет 465 м/с (1 674 км/ч). По мере удаления от экватора скорость такого движения уменьшается.

Последний факт мало известен, но вызывает интерес. Наглядно его можно продемонстрировать так:

  • Рядом с экватором расположен город Кито. Люди, которые в нем живут, незаметно для себя постоянно двигаются вместе с планетой на скорости 465 м/с.
  • Жители Москвы, которые живут севернее линии экватора, вращаются практически в два раза медленнее. Их скорость примерно равна 260 м/с.

Ретроградный Меркурий: что о нем надо знать

Земля и Солнце в Космосе: Freepick

Этого вращательного движения люди не ощущают, так как оно осуществляется постоянно и равномерно. При этом еще и меняется. Ученые установили, что каждый год происходит замедление вращения в среднем на четыре миллисекунды.

Объясняют это явление притяжением Луны, которое оказывает воздействие на протекание приливов и отливов на планете. Когда они происходят, Луна старается притянуть к себе воду и двигает ее в направлении, которое противоположно ходу Земли.

Это своеобразное противодействие провоцирует возникновение незначительной силы трения на дне водоемов. По законам физики данный процесс приводит к небольшому замедлению скорости движения Земли.

Крайние точки в процессе вращения нашей планеты — это такие даты:

  1. Зимнее солнцестояние (21 декабря). В области Южного полярного круга в этот день ночь не наступает. Северный полярный круг, наоборот, оказывается на сутки под покровом ночи.
  2. Летнее солнцестояние (21 июня). На этот раз все происходит с точностью наоборот: Южный полярный круг на сутки пленяет ночь, а на Северном день продолжается все 24 часа.
  3. В дни весенних (20 марта) и осенних равноденствий (22 или 23 сентября в зависимости от года) ближе всего к Солнцу располагается экватор, а день с ночью равны по продолжительности в обоих полушариях.

Есть ли жизнь на Марсе: пояснения, теории

Почему же Земля не улетает в космические просторы и не падает на Солнце, если она постоянно находится в движении? Действительно, во время ее вращения происходит выработка центробежной силы, которая направлена на то, чтобы отбросить планету от Солнца.

Но это не происходит, потому что движение Земли всегда имеет одинаковую скорость, а безопасное расстояние до светила соотносится с центробежной силой.

Если бы Солнце не притягивало Землю, она бы отправилась «путешествовать» по Галактике. Наша планета упала бы на свою звезду, если бы скорость вращения на орбите была медленнее. Благодаря идеальному природному балансу всех этих сил и скоростей ни того, ни другого не происходит.

Существует ли судьба у человека?

Движение Земли вокруг Солнца подчиняется целому ряду законов, которые человечество разгадывало в течение веков. Люди долго пытались найти иные объяснения смене дня и ночи и времен года. Но теперь точно установлено, что наша планета вращается, а мы движемся вместе с ней.

Уникальная подборка новостей от нашего шеф-редактора

Источник

Adblock
detector